EP3298372A1 - Optisches verfahren und anordnung zur eigenspannungsmessung, insbesondere an beschichteten objekten - Google Patents

Optisches verfahren und anordnung zur eigenspannungsmessung, insbesondere an beschichteten objekten

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Publication number
EP3298372A1
EP3298372A1 EP16727623.7A EP16727623A EP3298372A1 EP 3298372 A1 EP3298372 A1 EP 3298372A1 EP 16727623 A EP16727623 A EP 16727623A EP 3298372 A1 EP3298372 A1 EP 3298372A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
pattern
residual stresses
coating
optical
arrangement
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP16727623.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Wolfgang Osten
Giancarlo Pedrini
Rainer Gadow
Klaus KÖRNER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Universitaet Stuttgart
Original Assignee
Universitaet Stuttgart
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Universitaet Stuttgart filed Critical Universitaet Stuttgart
Publication of EP3298372A1 publication Critical patent/EP3298372A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/0047—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes measuring forces due to residual stresses
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/06—Measuring force or stress, in general by measuring the permanent deformation of gauges, e.g. of compressed bodies
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05C—APPARATUS FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05C11/00—Component parts, details or accessories not specifically provided for in groups B05C1/00 - B05C9/00
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D—PROCESSES FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D1/00—Processes for applying liquids or other fluent materials
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/16—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for determining residual stresses in objects, in particular in coated objects, and to a method and a device for coating objects.
  • Coatings are often used to ensure functional (e.g., corrosion or wear protection or sensorics) or decorative properties of an object surface.
  • Layers often have production-related residual stresses which produce undesired effects (eg layer chipping, cracking). It is therefore of interest to know the residual stresses and their effects in the layer composite in order to carry out the coating production in a suitable manner.
  • the wellbore method in the classical or microcircular milling method
  • the wellbore method is a "minimally destructive" method which is often used in practice and represents the state of the art in practical use (see non-patent documents [3] to [5
  • the measurement of surface deformations eg strains
  • suitable calibration functions which have to be simulated for laminations
  • Incremental drilling or milling in small steps can be used to determine residual stress depth profiles.
  • the surface strains are traditionally measured with strain gauges (DMS), but their use is only possible on flat and relatively smooth surfaces necessary direct Aufbri Due to the DMS on the test object, the restriction to a measurement of 2D deformations (lateral to the surface) is to be regarded as a further disadvantage. In this case, since the measuring distance from the bore is always comparatively large, there are also limitations both in
  • the residual stresses may also be released by local heating of the object surface (e.g., by means of a laser) (see Non-Patent [6] and US 5,920,017). If the material parameters and the heating or cooling cycle are known, the residual stress can be deduced from the measured deformations.
  • Optical techniques allow a high-resolution areal registration of three-dimensional surface deformations and were therefore used with different methods for the determination of residual stresses.
  • these methods are based on classical holographic interferometry, speckle interferometry (ESPI) or digital holography.
  • ESPI speckle interferometry
  • digital holography By evaluating the holograms / specklegrams, it is possible to determine the deformation of the surface after drilling.
  • the residual stresses can be calculated (see non-patent specification [5]).
  • the image correlation can also be used for the measurement of displacements (see non-patent document [7]).
  • the patent AU 4147289A describes a camera-based holographic speckle interferometer, with which microdeformations induced by stress (generation of mechanical stresses) can be detected simultaneously and at different scales by combining different optical measuring methods. The degree of loading of the object is varied.
  • US Pat. No. 5,339,152A describes a movable interferometric arrangement which is suitable for determining, in a time-resolved manner, the residual stresses occurring in time-varying loading in comparatively large, drilled holes for fastenings.
  • the arrangement is particularly suitable for use in aircraft.
  • JP 2004- 1702 10 A describes a method for determining stresses by measuring the deformation of a borehole.
  • a miniaturized laser distance sensor is used.
  • US Pat. No. 7,154,018 1 B 1 describes an optical measuring system for the time-resolved measurement of residual stresses on coatings, for example on insulator layers for electrical conductors.
  • the optical measuring system comprises a plurality of spatially distributed optical fiber sensors, wherein Bragg gratings are used.
  • a disadvantage of this measuring system is the low spatial resolution. Furthermore, it is not suitable for high material throughput manufacturing processes.
  • Non-patent specification [8] describes a method for determining residual stresses in the micrometer scale, which is based on the measurement of deformations caused by incremental drilling of nano-holes (diameter 50 nm) using focused ion radiation (" Focused Ion Beam "(FIB) The deformations are measured with a Scanning Electron Microscope (SEM) using image correlation techniques.
  • SEM Scanning Electron Microscope
  • the patent application WO 2013-108208 (A 1) describes another method for detecting residual stresses in surface coatings in the micrometer scale. For this purpose, two stripe pairs of material are removed from the surface by electron or ion beam ablation techniques. The resulting by the released residual stresses lateral Shifts are measured by means of digital image correlation on the basis of SEM images (SEM: scanning electron microscope).
  • SEM scanning electron microscope
  • Thermally kinetic coatings have inhomogeneities, porosities, and multiphase structures, with the original molten spray particles forming partially distinctly textured layers that are anisotropic and therefore deviate markedly in their properties from thermo-kinetic coatings ("thermal spraying") Furthermore, with regard to their application properties (loading capacity, reliability), they are strongly influenced by their residual stress state after the layer application and finishing, which in turn depends on the material properties of the participating layer composite partners as well as the process parameters.
  • An object of the present invention is to enable a temporally and spatially highly resolved determination of residual stresses, in particular in the surfaces of coated objects, by means of a contactless measuring method. Another object is to provide in-process detection (eg during a coating process) of residual stresses enable.
  • This object (s) is / are achieved by a method and a device for detecting residual stresses of an object, in particular a coated object, and a method and a device for coating an object having the features specified in the independent claims.
  • a first aspect of the invention relates to a method for determining residual stresses of an object, preferably a coated object.
  • the method comprises
  • a second aspect of the invention relates to a device for determining residual stresses in an object, preferably in a coated object.
  • the device comprises:
  • a laser loading system comprising at least a laser and an optical scanning device for impinging a surface of the object with laser light and generating a hole or pattern of holes and / or locally heated locations in the object;
  • an optical measuring system for determining the deformation of the surface of the object with the generated pattern.
  • the application of laser light to the object and the creation of the hole or the pattern are effected by means of an optical scanning device.
  • the optical scanning device comprises an optical deflection and / or modulation arrangement for the controllable deflection and / or modulation of the laser light (eg by reflection, refraction and / or light diffraction) and / or a focusing arrangement for controllably focusing the laser light on the surface of the object (ie Focusing arrangement with controllable focus).
  • a third aspect relates to a method for coating an object.
  • the method comprises the steps: Applying a partial layer to at least a part of the surface of the object;
  • a fourth aspect relates to an apparatus for coating an object, comprising:
  • a coating arrangement for applying a partial layer to at least one
  • control arrangement for controlling at least one of the parameters of the coating method on the basis of the determined residual stresses.
  • the parameters of the coating process which can be controlled or varied on the basis of the determined residual stresses, include in particular:
  • the coating process may be a thermal, mechanical, thermomechanical or thermokinetic or chemical process, e.g. a high-speed flame spraying process, a plasma process, etc.
  • the (eg coated) surface of the examined object with the aid of a laser (eg a pulse laser).
  • a part of the upper layer of the object eg a part of the coating of a coated object
  • the two- or three-dimensional surface deformations are measured by means of optical deformation measuring methods.
  • the optical deformation Measuring methods or the optical measuring system for determining surface deformations are based, for example, on digital holography, the speckle correlation technique, speckle interferometry, the image correlation technique or other known optical measuring methods.
  • the data relating to the surface after the laser application may in particular comprise the geometry (shape and / or depth) of the generated hole and / or the position and / or topography of the generated pattern, shape of the object or the surface being examined.
  • continuum-mechanical calculations can be carried out, whereby defined residual stress states are defined by means of finite-element models. The numerical methods used are known from the prior art.
  • the laser beam generated by the laser is controllably deflected, modulated and / or focused on the object, the control preferably being in video real time.
  • the control preferably being in video real time.
  • the use of a laser to load the examined object or the coating of the object in combination with controllable optical deflection, modulation and / or focusing and with optical surface deformation measuring methods allows a fast, precise and contactless determination of residual stresses within coatings and layer systems.
  • the objects to be examined can be shaped in three dimensions and have a complex shape.
  • the surface of the object can be both a regular surface (eg a spherical, cylindrical or conical surface) or a freeform surface.
  • the laser radiation can also be used in hard to reach places for drilling and / or local heating.
  • the measurement method is minimally invasive, since it is possible to produce even the smallest holes and / or locally heated areas with high precision and positional accuracy.
  • the laser power, the geometry of the generated holes and / or heated areas and / or the shape or topography of the pattern quickly and precisely changed and adapted to the examined objects.
  • residual stresses can be determined during a coating process (in-line) and with high spatial resolution (quasi-real-time measurement). The method and the device for determining residual stresses thus enable a high measuring and evaluation speed, reliability and high scalability as well as a high degree of flexibility.
  • the method according to the invention and the device according to the invention for contactless and rapid determination of residual stresses by means of laser loading can be integrated in a simple manner into a production process (for example into a coating process), in particular into a high-speed process.
  • a production process for example into a coating process
  • one or more parameters of the manufacturing or coating process can be controlled.
  • the process parameters can also locally, with the aid of the, preferably parallel, determined residual stresses at different spatial positions on the object surface locally, be controlled with a comparatively high spatial resolution.
  • the quality of the coating of an object can be significantly improved. Since the laser power and beam quality as well as the parameters of the scanning system can be set and controlled with high accuracy and precision, the stability of the manufacturing process (e.g., the coating process) can be ensured.
  • the inventive method and apparatus for contactless and rapid determination of residual stresses by means of laser loading in integrated a coating process for example, in a coating process by means of thermal spraying. Due to the flexible in-process measurement of the residual stresses (parallel and in almost freely selectable topology and spatial and temporal resolution), the process control can be improved.
  • the residual stress distribution and the spatial profile of the same could only be determined by larger series of microscopically destructive tests on the cooled component, i. H. be determined with considerable time offset for the genesis of residual stresses.
  • the inertia of the traditional surface tension relaxation measurement technique can be less critical for many applications, it means that the finished surface is often minimally invasive.
  • the method according to the invention and the device according to the invention for contactless and rapid determination of residual stresses by means of laser loading enable a fast, minimally invasive measurement of residual stresses with high local resolution during a running coating process.
  • the determined residual stresses are used specifically for the local control of the process parameters with comparatively high local resolution.
  • the temperature control by simultaneous cooling or Heating, both controlled with locally defined resolved procedures.
  • the trajectory planning and implementation can be adapted directly to the heat history.
  • a compilation or merging of the geometry data of the workpiece from CAD data with the trajectories during the coating process is performed.
  • An advantage of the proposed method lies in the real time of the residual stress determination during the continuous coating (real-time / in-process) by non-contact and non-destructive online measurement with optical measuring methods.
  • the spatial resolution of the optical measuring methods is very high and freely selectable.
  • the topology of a ceremoniesninkrements can be determined and evaluated so quickly that the coating process can be varied and tracked immediately. As a result, it is possible to achieve an improved or specifically adjusted intrinsic voltage-dependent coating result.
  • the coating process does not have to be interrupted and readjusted. Direct real component geometries and surface morphologies can be generated.
  • the pattern of holes and / or locally heated locations may be generated pointwise sequentially or in parallel.
  • the pattern is not generated pointwise sequentially (as in the mechanical case, for example) but in parallel (simultaneously), e.g. by means of a spatial light modulator.
  • a whole row, matrix or even multiple matrices of holes and / or locally heated locations, preferably with adaptive distribution and / or defined hole geometry, can be generated simultaneously.
  • the hole produced by laser irradiation and the locally heated location may have different geometries (shape and / or depth), which may be locally variable.
  • the hole or the locally heated spot may be circular, elliptical, line-shaped or other complex shape.
  • the hole and / or the locally heated location penetrates only the surface of the object under examination, e.g. only a part of the coating of a coated object.
  • the generated patterns of holes or locally heated locations may also be different.
  • the pattern may comprise a circle or a plurality of concentric circles, a spiral (eg Archimedean), a rosette, a row or a matrix, a slot or cross, or some other more complex shape.
  • the distribution of the holes and / or the locally heated Places within the pattern can be homogeneous or inhomogeneous.
  • the patterns may be selected depending on the topography of the surface being studied and the expected or suspected residual stresses and / or their gradients.
  • the method can accordingly adapt or adapt the geometry of the individual holes and / or locally heated locations and / or the shape or the topography of the generated pattern (eg the distribution of the holes and / or the locally heated locations) and / or Position or arrangement of the generated pattern on the surface of the object under investigation to the topography of the surface of the object under investigation and / or to the expected residual stresses and / or their gradients in the examined object or in the examined surface.
  • the pattern may comprise a plurality of lines (preferably at least three lines arranged, for example, in a grid) which are inscribed on the surface of the object being examined.
  • the surface can be a ruled surface or a free-form surface (also in combinations).
  • the lines of the pattern may be at least approximately perpendicular to the direction of the largest local curvature (s) of the surface.
  • the pattern may further comprise spirals, eg Archimedean spirals, or concentric circles.
  • spirals eg Archimedean spirals, or concentric circles.
  • Such a pattern is particularly suitable for the determination of residual stresses in objects whose surface can be approximated by a sphere.
  • the center of these structures is placed at a presumed or highly probable location of high residual stresses. This is usually a place big or largest local curvature (s) of the surface.
  • a grid can be applied as pattern in which the grid lines are preferably arranged substantially parallel to the cylinder axis. It is advantageous in this case if the spatial frequency of the grating is comparatively high, preferably at least about 5 line pairs / mm, more preferably at least about 10 line pairs / mm. Furthermore, it is advantageous if the duty cycle (gap-lattice web lengths) goes to 1. Preference is given to the double gap width, but not the 10-fold gap width in relation to the web width.
  • the distribution of the individual holes and / or heated locations within the pattern may be homogeneous or inhomogeneous.
  • the lattice constants vary with a pattern of bars or lines.
  • the distribution of the holes and / or heated spots to the edges of one surface may, for example, be different than in the face following the edge or orthogonal.
  • the pattern may preferably be generated holographically by a spatial light modulator which can be controlled, preferably in video real-time.
  • AOM acousto-optic modulator
  • DMD Digital Micro Mirror Device
  • opto-mechanical devices such as a rotating wedge plate, mirrors, prisms, etc. for the deflection of the Laser light can be used.
  • the optical deflection and / or modulation arrangement may accordingly comprise a controllable light modulator (for example a liquid crystal light modulator, a DMD light modulator or acousto-optic modulator) or a rotating wedge plate.
  • the focusing arrangement may comprise a lens, an objective, a mirror objective and / or other optical elements.
  • the focusing arrangement has a computer-controlled focusing function.
  • the depth and / or shape of the created hole can be varied and e.g. be adapted to the examined coating and / or geometry of the object.
  • the production of the hole and / or the pattern preferably takes place with the same laser used to determine the surface deformations.
  • a laser serves as a light source for the laser loading system and for the optical measuring system for determining the deformation of the surface of the object.
  • the device for measuring residual stresses can thus be realized simpler, more compact and less expensive.
  • the method may further comprise detecting by means of a 3D optical measuring arrangement of two- or three-dimensional data relating to:
  • the resulting 3D data can be used to provide input data for creating the residual stress model.
  • the optical 3D measuring arrangement may e.g. a confocal microscope, an optical system based on fringe projection, on digital holography, for example the latter based on the two-wavelength method.
  • the optical 3D measuring arrangement can be part of the device for measuring residual stresses.
  • Fields of application and applications of the inventive solution of the optical method and the Apparatus for determining residual stresses, in particular on coated surfaces comprise:
  • the production monitoring e.g. in coating plants
  • the method according to the invention and the device according to the invention are suitable for determining residual stresses in the coating of coated objects.
  • the coating may have a thickness of in particular 10 microns up to 500 microns.
  • the coating may comprise one or more layers.
  • Fig. 1 shows an exemplary apparatus for measuring residual stresses in coated
  • FIG. 2 exemplary loading arrangements
  • FIG. 3 shows a further exemplary device for measuring residual stresses in coated objects
  • Fig. 4 shows exemplary patterns on a coated cylindrical surface
  • Fig. 5 shows exemplary patterns on a coated spherical surface
  • FIG. 6 shows exemplary patterns on a coated freeform surface.
  • measuring radiation load radiation and light are understood to mean electromagnetic radiation from the deep UV to the VIS, NIR, MIR, FIR and terahertz ranges.
  • FIG. 1 shows an exemplary device for measuring residual stresses in coated objects.
  • the device comprises an arrangement for loading a coated object 5 (detail A) and an optical measuring system for measuring SD deformations or 3D surface deformations which are generated by the load of the coated object 5 (detail B).
  • the object can be any coated object, including a strongly curved object. Non-limiting examples are charges for corrosion protection, protective layers for electrical insulation and / or thermal protection.
  • the coating may have a thickness in the range of 10 microns to 500 microns. The number and arrangement of the layers in the coating can vary.
  • FIG. 2a shows an exemplary load arrangement which has a simple construction.
  • the loading arrangement comprises a pulse laser 1. 1, which emits a series of short laser pulses 1.2. This can be done both in the pico and in the micro-second range, here in the exemplary embodiment with pulse lengths in the 10-nanoseconds range.
  • the load radiation emitted by the pulse laser 1. 1 is focused by a lens 1 .3 on the object 5 with a coating 6.
  • the power of the laser pulses 1.2 of the pulse laser 1.1 can be suitably selected depending on the examined object and / or coating.
  • the intensity density on the surface 8 of the object 5 may be, for example, at least 10 8 W / cm 2 , so that material is removed from the surface 8 of the object 5 and a hole 7 with a circular shape 7. 1 is formed.
  • FIG. 2.b shows an exemplary load arrangement with a rotating wedge plate 1.4.
  • the wedge plate 1.4 changes the laser beam direction by its rotation.
  • a series of laser pulses 1.2 reaches this wedge plate 1.4.
  • each pulse is focused by the lens 1.3 to another location of the surface 8 of the object 5. This allows the removal of material along a fine circular line 7.2.
  • FIG. 2.c shows an exemplary loading arrangement, in which the light beam is first reflected by a mirror 1 .5 in the direction of a spatial light modulator 1.6.
  • the spatial light modulator 1.6 2D patterns in the form of holograms, so light diffractive grids are written.
  • These holograms can be chosen within wide limits, so that the incident light beam by diffraction a desired pattern 7.3. with a virtually arbitrary programmable form, eg in the form of a ring, in the form of an "X", in the form of a cross or in the form of a double cross ("#”) and with a depth which can be selected within wide limits on the surface 8 of the object 5.
  • the lens 1.3 in Fig. 2.c allows focusing of the diffracted laser beam onto the surface 8 of the object 5.
  • the focusing can also be generated by the spatial light modulator 1.6 itself. In this case, the lens 1.3 is not necessary.
  • the removal of material from the surface 8 of the object 5 creates a 3D deformation of the surface 8 in the immediate vicinity of the hole 7.
  • FIG. 1 illustrates in detail B an exemplary optical measurement system 2 for measuring surface deformation based on digital holography.
  • a laser 2. 1 emits a laser beam, which is divided by the first beam splitter 2.2 into two partial beams.
  • a partial beam is coupled through the lens 2.3 in a single-mode optical fiber 2.4.
  • the light is guided through the single-mode fiber 2.4 and the output of the single-mode fiber 2.4 opens into a small hole 2.5, so that the light, which here represents the reference beam 2.6 for the holographic measuring arrangement, reaches a CCD or a CMOS detector 2.7 ,
  • the other partial beam from the first beam splitter 2.2 is again divided into at least 3 partial light beams by the second beam splitter 2.8.
  • four partial light beams 4. 1, 4.2, 4.3 and 4.4 are shown. These partial light beams 4. 1, 4.2, 4.3 and 4.4 illuminate the surface 8 of the object 5 from at least three independent directions. This illumination can be done simultaneously with all partial light beams 4. 1, 4.2, 4.3 and 4.4, or even sequentially.
  • the light scattered by the surface 8 of the object 5 is reflected by the color filter 3 in the direction of the measuring system 1.
  • the lens 2.9 images the surface 8 of the object 5 onto the detector 2.7.
  • Aperture aperture 2.10 determines the lateral resolution of the imaging system.
  • the light scattered by the surface 8 of the object 5 interferes with the reference beam 2.6.
  • the interference pattern is recorded by the detector (2.7) and then represents a digital hologram. It is registered before the load of the object 5 more holograms at different illuminations from at least three independent directions. After the load, further holograms are registered at different illuminations. After evaluation of the holograms, the 3D deformation between the unloaded and the loaded condition determined. This process can be repeated so that different load conditions are generated and thus the 3D deformation is determined as a function of the load.
  • the geometry (depth, shape) of the hole resulting from the laser load and / or the topography of the resulting pattern is measured by a measuring device for the 3D mold 9.
  • This measuring arrangement 9 may e.g. a confocal microscope or a system based on fringe projection or on digital holography, the latter, for example, based on the two-wavelength method.
  • the 3 D deformation in conjunction with the measurement of the geometry (depth, shape) of the holes and / or the topography or depth profiling of the pattern, which are caused by the laser load, and material parameters of the object 5 and the coating 6 are evaluated and in the Coating existing residual stresses is determined, eg using a finite element method. Other methods for determining the residual stresses are known from the prior art.
  • FIG. 3 shows an exemplary device for measuring residual stresses in coated objects, in which a pulse laser with 2 wavelengths (10), ⁇ 1 and ⁇ 2 is used both for loading the object and for optical measurement.
  • the color divider 2 reflects the beam with the wavelength ⁇ 2 and transmits the beam with the wavelength ⁇ .
  • the beam with the wavelength ⁇ is used for the laser loading system 13.
  • the beam having the wavelength ⁇ 2 is used for the optical measuring system 14.
  • Figure 4 shows a coated cylindrical surface 15 on which are inscribed bar patterns (radially 16, axially 17), cross patterns 18 or / and ellipsoidal or annular patterns 19 for local removal of material.
  • Figure 5 shows a coated spherical surface 20 on which spirals 21, double or multi-spirals 22 are inscribed for the local removal of material.
  • FIG. 6 shows a coated free-form surface 30 on which adapted line patterns for the local removal of material are inscribed.
  • the exemplary methods and apparatus for determining residual stresses can, as described above, for example, be integrated into a coating process.
  • the parameters of the coating process such as, for example, cooling or heating of the substrate, Application rate and temperature of the coating, layer thickness, kinematics, etc.
  • the parameters of the coating process are controlled. It is thus possible to produce coatings with high quality and low residual stresses quickly and efficiently.
  • SLM spatial light modulator

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln von Eigenspannungen in Objekten, insbesondere in beschichteten Objekten, sowie ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Beschichten von Objekten. Das Verfahren umfasst: Beaufschlagen einer Oberfläche (8) des Objekts (5) mit Laserlicht und Erzeugen eines Lochs oder eines Musters von Löchern und/oder lokal erwärmten Stellen im Objekt (5); Ermitteln der Oberflächenverformungen nach dem Beaufschlagen des Objekts (5) mit dem Laserlicht mittels eines optischen Verformungs-Messverfahrens; Ermitteln der im Objekt (5) vorliegenden Eigenspannungen aus den gemessenen Oberflächenverformungen, wobei das Erzeugen des Lochs Musters mittels einer optischen Abtastvorrichtung erfolgt, welche eine optische Ablenk- und/oder Modulationsanordnung zur steuerbaren Ablenkung und/oder Modulation des Laserlichts; und/oder eine Fokussieranordnung zur steuerbaren Fokussierung des Laserlichts umfasst.

Description

Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln von Eigenspannungen in Objekten, insbesondere in beschichteten Objekten, sowie ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Beschichten von Objekten.
Beschichtungen werden häufig verwendet, um funktionale (z.B. beim Korrosions- oder Verschleißschutz oder in der Sensorik) oder dekorative Eigenschaften einer Objektoberfläche zu gewährleisten. Schichten besitzen jedoch häufig herstellungsbedingte Eigenspannungen, die unerwünschte Effekte erzeugen (z. B. Schichtabplatzung, Rissbildung). Es ist deshalb von Interesse, die Eigenspannungen und ihre Auswirkungen im Schichtenverbund zu kennen, um die Schichtherstellung in geeigneter Weise durchzuführen.
Zur Bestimmung von Eigenspannungen in Schichten und Schichtverbundwerkstoffen ist eine Vielzahl von Techniken bekannt. Viele Methoden, wie z. B. der Einsatz von Beta-Strahlern oder die Röntgenfluoreszenz-Technik, sind jedoch reine La bormess erfahren, die für den industriellen Einsatz weniger geeignet sind. Techniken wie z.B. Wirbelstrommessverfahren, Barkhausen-Rauschen oder induktive Messverfahren können nur für Messungen auf leitenden bzw. magnetischen Proben eingesetzt werden (vgl. Nicht-Patentschrift [1]). Sehr hohe Genauigkeiten können mit der Röntgen-Diffraktometrie erzielt werden. Diese Methode basiert auf der Beugung von Röntgenstrahlung (Bestimmung des Bragg-Winkels), welche durch Gitterverzerrungen aufgrund von Eigenspannungen beeinflusst wird. Mit der Röntgen- Diffraktometrie können Eigenspannungen und die verschiedenen Anteile der Eigenspannungen I., II. und III. Art (makro-, meso- und mikroskopisch) am Gesamt-Eigenspannungszustand mit sehr hoher räumlicher Auflösung bestimmt werden (vgl. Nicht-Patentschrift [2]). Diese Untersuchungen sind jedoch sehr zeitaufwendig und daher nicht für Messungen während eines Schichtentstehungsprozesses geeignet.
Vergleichsweise kostengünstig können Bohrloch- oder Ringkernverfahren eingesetzt werden. Das Bohrlochverfahren (in klassischer Form oder in Form des Mikrozirkularfräsverfahrens) ist eine„minimal-destruktive" Methode, die in der Praxis oft verwendet wird und den Stand der Technik in der praktischen Anwendung darstellt (vgl. Nicht-Patentschriften [3] bis [5]). Durch die Bohrung eines Loches werden Eigenspannungen freigesetzt, also relaxiert. Dabei ergibt sich eine resultierende Verformung (z.B. Dehnung) der Oberfläche. Die Messung der Oberflächenverformungen (z.B. Dehnungen) erlaubt, in Kombination mit geeigneten Kalibrierfunktionen (welche für Schichtverbunde simuliert werden müssen), die quantitative Bestimmung der Eigenspannungen. Durch inkrementelles Bohren oder Fräsen in kleinen Schritten können Eigenspannungstiefenprofile ermittelt werden. Die Oberflächendehnungen werden traditionell mit Dehnmessstreifen (DMS) gemessen. Deren Einsatz ist jedoch nur auf ebenen und relativ glatten Oberflächen möglich. Neben dem praktischen Nachteil des notwendigen direkten Aufbringens der DMS auf das Testobjekt ist die Beschränkung auf eine Messung von 2D-Deformationen (lateral zur Oberfläche) als weiterer Nachteil zu werten. Weil hierbei der Messabstand von der Bohrung stets vergleichsweise groß ist, bestehen zudem Einschränkungen sowohl hinsichtlich der örtlichen Auflösung als auch hinsichtlich, der praktischen Anwendbarkeit. Weiterhin sind diese Messungen sehr fehleranfällig gegenüber Asymmetrien der Bohrung bzw. der Positionierung der DMS-Messgitterrosette.
Anstelle einer Bohrung können die Eigenspannungen auch durch lokale Erwärmungen der Objektoberfläche (z.B. mittels eines Lasers) freigesetzt werden (vgl. Nicht-Patentschrift [6] und US 5,920,017). Wenn die Materialparameter und der Erwärmungs- bzw. Abkühlungszyklus bekannt sind, kann aus den gemessenen Verformungen auf die Eigenspannungen rückgeschlossen werden.
Optische Techniken erlauben eine hochaufgelöste flächenhafte Erfassung von dreidimensionalen Oberflächenverformungen und wurden daher mit verschiedenen Methodiken für die Bestimmung von Eigenspannungen eingesetzt. Normalerweise basieren diese Verfahren auf klassischer holografischer Interferometrie, Speckle-Interferometrie (Electronic Speckle Pattern Interferometry, ESPI) oder digitaler Holografie. Durch Auswertung der Hologramme/Specklegramme ist es möglich, die Verformung der Oberfläche nach der Bohrung zu bestimmen. Im Zusammenhang mit z.B. Finite-Elemente-Simulationen können dann die Eigenspannungen berechnet werden (vgl. Nicht-Patentschrift [5]). Für die Messung von Verschiebungen kann ebenfalls die Bildkorrelation eingesetzt werden (vgl. Nicht-Patentschrift [7])· In der Patentschrift AU 4147289A wird ein Kamera-basiertes holografisches Speckle- Interferometer beschrieben, mit weichem Mikrodeformationen, die durch Belastung (Erzeugung mechanischer Spannungen) induziert sind, simultan und in verschiedenen Skalen durch Kombination unterschiedlicher optischer Messverfahren erfasst werden können. Der Grad der Belastung des Objekts wird dabei variiert.
In der Patentschrift US 5,339, 152A wird eine bewegliche interferometrische Anordnung, welche geeignet ist, die bei zeitlich variierender Belastung auftretenden Eigenspannungen in vergleichsweise großen, gebohrten Löchern für Befestigungen zeitaufgelöst zu ermitteln. Die Anordnung ist insbesondere für den Einsatz im Flugzeugbau geeignet.
In der Patentschrift JP 2004- 1702 10 A wird ein Verfahren zur Ermittlung von Spannungen durch die Messung der Verformung eines Bohrloches beschrieben. Dabei kommt ein miniaturisierter Laser-Abstandssensor zur Anwendung. in der Patentschrift US 7, 1 54,08 1 B 1 wird ein optisches Messsystem zur zeitaufgelösten Messung von Eigenspannungen an Beschichtungen, beispielsweise an Isolator-Schichten für elektrische Leiter, beschrieben. Das optische Messsystem umfasst mehrere räumlich verteilte optische Faser-Sensoren, wobei Bragg-Gitter zum Einsatz kommen. Ein Nachteil dieses Messsystems ist die geringe Ortsauflösung. Ferner ist es für Fertigungsprozesse mit hohem Material-Durchsatz nicht geeignet.
In der Nicht-Patentschrift [8] ist eine Methode zum Bestimmen von Eigenspannungen in der Mikrometer-Skala beschrieben, welche auf der Messung von Verformungen basiert, die durch inkrementelles Bohren von Nano-Löchern (Durchmesser 50 nm) unter Verwendung von fokussierter lonenstrahlung („Focused Ion Beam", FIB) erzeugt werden. Die Verformungen werden mit einem Raster-Elektronen-Mikroskop („Scanning Electron Microscope", SEM) unter Anwendung von Bildkorrelations-Verfahren gemessen.
Die Patentanmeldung WO 2013-108208 (A 1 ) beschreibt ein anderes Verfahren zum Erfassen von Eigenspannungen in Oberflächenbeschichtungen in der Mikrometer-Skala. Hierzu werden zwei Streifen-Paare des Materials durch Elektronen- oder lonenstrahl-Abtragstechniken aus der Oberfläche entfernt. Die durch die freigesetzten Eigenspannungen sich ergebenden lateralen Verschiebungen werden mittels digitaler Bild-Korrelation auf der Basis von REM-Bildern gemessen (REM: Raster-Elektronen-Mikroskop). Der Einsatz der Raster-Elektronen- Mikroskopie ermöglicht jedoch kein schnelles Messen der Eigenspannungen von Oberflächen- beschichtungen in einem Fertigungsprozess mit hohem Materialdurchsatz, da Raster- Elektronen-Mikroskope üblicherweise im Vakuum arbeiten.
Eigenspannungsbehaftete Schichten werden zum Teil durch thermokinetische Beschichtung hergestellt („thermisches Spritzen"). Thermokinetisch abgeschiedene Schichten weisen Inhomogenitäten, Porositäten und mehrphasige Strukturen auf, wobei die ursprünglichen schmelzflüssigen Spritzpartikel teilweise ausgeprägt texturierte Schichten ausbilden. Sie sind anisotrop und weichen daher in ihren Eigenschaften deutlich von den entsprechenden Massivwerkstoffen ab. Ferner werden sie hinsichtlich ihrer Anwendungseigenschaften (Belastbarkeit, Zuverlässigkeit) stark von ihrem Eigenspannungszustand nach der Schichtapplikation und Fertigbearbeitung beeinflusst, welcher wiederum von den Materialeigenschaften der beteiligten Schichtverbundpartner sowie den Prozessparametern abhängig ist.
Nicht-Patentschriften:
[1 ] M. Rabung, I. Altpeter, C. Boller, G. Dobmann, H.G. Herrmann," Non-destructive evaluation of the micro residual Stresses of lllrd order by using micro magnetic methods", NDT & E International, Volume 63, April 2014, Pages 7-10
[2] M.E. Fitzpatrick, A.T. Fry, P. Holdway, F.A. Kandil, J. Shackletön and L. Suominen, "Determination of Residual Stresses by X-ray Diffraction - Issue 2", Measurement Good Practice Guide No. 52, National Physical laboratory.
[3] ASTM Standard E 837-01 ,„Standard Test Method for Determining Residual Stresses by the Hole-Drilling Strain-Gage Method"
[4] M. Wenzel burger, D. Lopez, R. Gadow, "Methods and application of residual stress analysis on thermally sprayed coatings and layer composites", Surf. Coat. Technol., 201 (5), 1995-2001 , 2006.
[5] G. S. Schajer, "Relaxation Methods for Measuring Residual Stresses: Techniques and
Opportunities", Experimental Mechanics, 1 1 17-1 127, 20 10
[6] M. Viotti, R. Suterio, A. Albertazzi, G. Kaufmann, "Residual stress measurement using a radial in-plane speckle interferometer and laser annealing: preliminary results", Optics and Laser in Engineering, 42, pp 71-84, 2004 [7] A. Baldi, "Residual Stress Measurement Using Hole Drilling and Integrated Digital Image
Correlation Techniques", Experimental Mechanics (2014) 54:379-39 1 .
[8] A. . Korsunsky, M. Sebastiani, E. Bemporad, "Residual stress evaluation at the micrometer scale: Analysis of thin coatings by FIB milling and digital image correlation",
Surface & Coatings Technology 205 (2010) 2393-2403
[9] J. Matejicek, S. Sampath,„In situ measurement of residual Stresses and elastic moduli in thermal sprayed coatings. Part 1 : apparatus and analysis", Acta Mater., Vol. 5 1 , Nr. 3,
863-872, 2003
Bisherige Arbeiten zur Eigenspannungskontrolle während thermischer Spritzprozesse konzentrieren sich hauptsächlich auf die Messung der resultierenden Eigenspannungen, z.B. auf den zeit- und schichtdickenabhängigen Verlauf der Eigenspannungen im Prozess unter Verwendung geometrisch vereinfachter Referenzproben (vgl. Nicht-Patentschrift [9]) oder auf die Ermittlung des Eigenspannungszustands nach dem Beschichtungsprozess in realen Bauteiloberflächen durch Messung von Eigenspannungstiefenprofilen, z.B. anhand der Bohrlochmethode oder der Röntgen-Diffraktion. Weiterhin existiert eine Vielzahl theoretischer und numerischer Untersuchungen zum Einfluss der Werkstoffeigenschaften sowie der Prozessparameter und der Substratvorbehandlung.
Die bisher entwickelten Systeme zum Ermitteln von Eigenspannungen erlauben keine zeit- und ortsaufgelöste Untersuchung während eines Herstellungsprozesses, z.B. eines Beschichtungsprozesses. Die auf Bohrung basierten Messverfahren sind zwar minimal invasiv, werden jedoch mit einem Hochgeschwindigkeitsfräser vorgenommen. Das ist zeitaufwendig und verlangt mechanischen Kontakt mit der Oberfläche des Objekts. Weiterhin müssen die erzeugten Bohrlöcher in der Regel später wieder aufwendig geschlossen werden. Ferner wird eine Kombination von experimentellen 3D-Verformungsdaten mit modellgestützten Simulationsrechnungen nicht vorgenommen, sondern es werden mit DMS nur 2D- Verformungen ermittelt und über simulierte Kalibrierfunktionen mit den auslösenden Eigenspannungen korreliert.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine zeitlich und räumlich hochaufgelöste Ermittlung von Eigenspannungen, insbesondere in den Oberflächen beschichteter Objekte, mittels kontaktlosem Messverfahren zu ermöglichen. Eine weitere Aufgabe ist es, eine In- Prozess-Erfassung (z. B. während eines Beschichtungsprozess) von Eigenspannungen zu ermöglichen.
Diese Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erfassen von Eigenspannungen eines Objekts, insbesondere eines beschichteten Objekts und ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Beschichten eines Objekts mit den in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmalen.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln von Eigenspannungen eines Objekts, vorzugsweise eines beschichteten Objekts. Das Verfahren umfasst
Beaufschlagen einer Oberfläche des untersuchten Objekts mit Laserlicht und Erzeugen eines Lochs oder eines Musters von Löchern und/oder lokal erwärmten Stellen im Objekt;
Ermitteln der Oberflächenverformungen nach dem Beaufschlagen des Objekts mit dem Laserlicht mittels eines optischen Verformungs-Messverfahrens;
Ermitteln der im Objekt vorliegenden Eigenspannungen aus den gemessenen Oberflächenverformungen,
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ermitteln von Eigenspannungen in einem Objekt, vorzugsweise in einem beschichteten Objekt. Die Vorrichtung umfasst:
ein Laserbelastungssystem mit zumindest einem Laser und einer optischen Abtastvorrichtung zum Beaufschlagen einer Oberfläche des Objekts mit Laserlicht und Erzeugen eines Lochs oder eines Musters von Löchern und/oder lokal erwärmten Stellen im Objekt;
ein optisches Messsystem zum Ermitteln der Verformung der Oberfläche des Objekts mit dem erzeugten Muster.
Das Beaufschlagen des Objekts mit Laserlicht und das Erzeugen des Lochs oder des Musters erfolgt mittels einer optischen Abtastvorrichtung. Die optische Abtastvorrichtung umfasst eine optische Ablenk- und/oder Modulationsanordnung zur steuerbaren Ablenkung und/oder Modulation des Laserlichts (z.B. durch Reflexion, Refraktion und/oder Lichtbeugung) und/oder eine Fokussieranordnung zur steuerbaren Fokussierung des Laserlichts auf der Oberfläche des Objekts (d.h. eine Fokussieranordnung mit steuerbarem Fokus).
Ein dritter Aspekt betrifft ein Verfahren zum Beschichten eines Objekts. Das Verfahren umfasst die Schritte: Aufbringen einer Teilschicht auf zumindest einen Teil der Oberfläche des Objekts;
Ermitteln der Eigenspannungen im teilbeschichteten Objekt nach dem Verfahren zum Ermitteln von Eigenspannungen gemäß einem Aspekt der Erfindung; und
Steuern zumindest eines der Parameter des Beschichtungsverfahrens anhand der ermittelten Eigenspannungen.
Ein vierter Aspekt betrifft eine Vorrichtung zum Beschichten eines Objekts umfassend:
eine Beschichtungsanordnung zum Aufbringen einer Teilschicht auf zumindest einen
Teil der Oberfläche des Objekts;
eine Vorrichtung zum Ermitteln von Eigenspannungen gemäß einem Aspekt der
Erfindung; und
eine Steueranordnung zum Steuern zumindest eines der Parameter des Beschichtungsverfahrens anhand der ermittelten Eigenspannungen.
Die Parameter des Beschichtungsverfahrens, welche anhand der ermittelten Eigenspannungen gesteuert bzw. variiert werden können insbesondere umfassen:
die Temperatur des Substrates bzw. das Erwärmen oder Kühlen des Substrates
(normalerweise mittels einer Luftkühlung); und/oder
- die Auftragsrate und/oder Temperatur des Beschichtungsmaterials; und/oder
die Bewegungsgeschwindigkeit des Beschichtungsarms (Kinematik); und/oder
- die Schichtdicke; und/oder
die Partikelverteilung; und/oder
- die Partikelgröße.
Das Beschichtungsverfahren kann ein thermisches, mechanisches, thermomechanisches bzw. thermokinetisches oder chemisches Verfahren sein, z.B. ein Hochgeschwindigkeits- Flammspritzenverfahren, ein Plasmaverfahren, etc.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die (z.B. beschichtete) Oberfläche des untersuchten Objekts mit Hilfe eines Lasers (z.B. eines Pulslasers) zu beaufschlagen. Dabei wird ein Teil der Oberschicht des Objekts (z.B. ein Teil der Beschichtung eines beschichteten Objekts) lokal entfernt und/oder erwärmt, um eine Verformung der Oberfläche durch Relaxation von Eigenspannungen zu erreichen. Die zwei- oder drei-dimensionalen Oberflächenverformungen werden mittels optischer Verformungs-Messverfahren gemessen. Die optischen Verformungs- Messverfahren bzw. das optische Messsystem zum Ermitteln von Oberflächenverformungen basieren z.B. auf der digitalen Holografie, der Speckle-Korrelations-Technik, der Speckle- interferometrie, der Bild-Korrelations-Technik oder auf anderen bekannten optischen Messverfahren. Aus den optisch gemessenen Verformungen (z.B. mittels aufgenommener Hologramme, Shearogramme, Specklegramme, Bildern zur Bild-Korrelation, etc.) und gegebenenfalls weiteren Daten bezüglich der Oberfläche nach der Laserbeaufschlagung und/oder des Materials des Objekts und/oder der Objektbeschichtung können die in dem Objekt und insbesondere in der Beschickung eines beschichteten Objekts vorliegenden Eigenspannungen numerisch bestimmt werden. Die Daten bezüglich der Oberfläche nach der Laserbeaufschlagung können insbesondere die Geometrie (Form und/oder Tiefe) des erzeugten Lochs und/oder der Position und/oder Topographie des erzeugten Musters, Form des Objekts oder der untersuchten Oberfläche umfassen. Zum Bestimmen der Eigenspannungen können z.B. Kontinuums-mechanische Berechnungen durchgeführt werden, wobei mittels Finite-Elemente-Modellen definierte Eigenspannungszustände vorgegeben werden. Die eingesetzten numerischen Verfahren sind aus dem Stand der Technik bekannt.
Der vom Laser erzeugte Lichtstrahl wird steuerbar abgelenkt, moduliert und/oder auf dem Objekt fokussiert, wobei die Steuerung vorzugsweise in Video-Echtzeit erfolgt. So ist es möglich, gezielt einen Teil der Oberflächenschicht des Objekts lokal zu entfernen und/oder zu erwärmen, auch im Fall, dass das zu untersuchende Objekt merklich uneben, also auch stark gekrümmt ist.
Die Nutzung eines Lasers zur Belastung des untersuchten Objekts bzw. der Beschichtung des Objekts in Kombination mit steuerbarer optischer Ablenkung, Modulation und/oder Fokussierung und mit optischen Oberflächenverformungs-Messverfahren erlaubt eine schnelle, präzise und kontaktlose Ermittlung von Eigenspannungen innerhalb von Beschichtungen und Schichtsystemen. Die zu untersuchenden Objekte können dabei dreidimensional geformt sein und eine komplexe Form aufweisen. So kann die Oberfläche des Objekts sowohl eine reguläre Oberfläche (z.B. eine Kugel-, Zylinder- oder Kegeloberfläche) oder eine Freiformfläche sein. Die Laserstrahlung kann ferner an schwer zugänglichen Stellen zum Bohren und/oder lokalen Erwärmen eingesetzt werden. Des Weiteren ist das Messverfahren minimal invasiv, da das Erzeugen von kleinsten Löchern und/oder lokal erwärmten Stellen mit hoher Präzision und Lagegenauigkeit möglich ist. Ferner ist es möglich, die Laserleistung, die Geometrie der erzeugten Löcher und/oder erwärmten Stellen und/oder die Form bzw. Topographie des erzeugten Musters schnell und präzise zu ändern und an die untersuchten Objekte anzupassen. So können Eigenspannungen z.B. während eines Beschichtungsprozesses (in-line) und mit hoher Ortsauflösung ermittelt werden (Quasi-Echtzeit-Messverfahren). Das Verfahren und die Vorrichtung zum Ermitteln von Eigenspannungen ermöglichen somit eine hohe Mess- und Auswertegeschwindigkeit, Zuverlässigkeit und hohe Skalierbarkeit sowie eine hohe Flexibilität.
Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens umfassen:
- frei wählbare flexible Anordnung bzw. Lage komplexer Muster auf der Oberfläche des untersuchten Objekts;
- Echtzeit-fähige, feldweise Auswertung der Eigenspannungszustände ausgedehnter Oberflächen mit frei wählbarer anpassbarer Verteilung (örtlich hochaufgelöst) der Löcher und/oder lokal erwärmten Stellen und Gestaltung der Lochgeometrie oder der Geometrie der lokal erwärmten Stelle;
hohe Präzision der Anordnung und Ausprägung der erzeugten Löcher und/oder lokal erwärmten Stellen; und
- adaptiv bezüglich Anordnung, Dichte, Geometrie und/oder Tiefe der einzelnen Löcher oder lokal erwärmten Stellen;
hohe Sensitivität und Präzision.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung zum kontaktlosen und schnellen Ermitteln von Eigenspannungen mittels Laserbelastung können in einfacher Weise in einen Herstellungsprozess (z.B. in einen Beschichtungsprozess) integriert werden, insbesondere in einen Hochgeschwindigkeitsprozesses. Anhand der ermittelten Eigenspannungen können ein oder mehrere Parameter des Herstellungs- oder Beschichtungsprozesses gesteuert werden. Die Prozessparameter können auch lokal, anhand der, vorzugsweise parallel, ermittelten Eigenspannungen an unterschiedlichen räumlichen Positionen auf der Objektsoberfläche lokal, mit vergleichsweise hoher Ortsauflösung gesteuert werden. Dadurch kann z.B. die Qualität der Beschichtung eines Objekts erheblich verbessert werden. Da die Laserleistung und Strahlqualität sowie die Parameter des Abtastsystems mit hoher Genauigkeit und Präzision eingestellt und kontrolliert werden können, kann die Stabilität des Herstellungsprozesses (z.B. des Beschichtungsprozesses) gewährleistet werden.
Vorzugsweise werden das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung zum kontaktlosen und schnellen Ermitteln von Eigenspannungen mittels Laserbelastung in einen Beschichtungsprozess integriert, z.B. in einen Beschichtungsprozess mittels thermischen Spritzens. Durch die flexible In-Prozess-Messung der Eigenspannungen (parallel und in nahezu frei wählbarer Topologie und räumlicher sowie zeitlicher Auflösung) kann die Prozessregelung verbessert werden.
Insbesondere weist die Beschichtung von Werkstücken nahezu jedweder Art mit Verfahren des thermischen Spritzens einen intensiven Wärme- und Stoffübergang sowie einen intensiven Impulsaustausch auf, z. B. mit Hartstoffpartikeln bei der Vorbehandlung der Oberflächen. Durch die mechanische, thermische und chemische Wechselwirkung (hier vor allem latente Wärmeübergangsphänomene) kommt es in Abhängigkeit von den thermophysikalischen Stoffeigenschaften von Schicht und Substrat einerseits und von der Dynamik der o.g. Wärme und Stoffübergangsprozesse anderseits zur Ausbildung von prozessbedingten Eigenspannungen im Werkstück bzw. in dessen Randzone(n). Da diese Eigenspannungen ortsaufgelöst betrachtet und bewertet werden müssen, ist die Bahnführung der Brenner bzw. deren Trajektorien direkt für die Ausbildung der Eigenspannungen mitverantwortlich.
Traditionell konnten die Eigenspannungsverteilung und das räumliche Profil derselben nur durch größere Serien von mikroskopisch zerstörenden Prüfungen am erkalteten Bauteil, d. h. mit erheblichem Zeitversatz zur Genese der Eigenspannungen bestimmt werden. Die Trägheit des traditionellen Messverfahrens der Oberflächenspannungsrelaxation (taktil gemessen über hochsensible Dehnungsmessstreifen in Rosettenanordnung) kann zwar für viele Anwendungen zeitlich weniger kritisch sein, bedeutet aber eine vielfach minimalinvasive Zerstörung der fertigen Oberfläche.
Eine Vermessung der Eigenspannungen während eines Beschichtungsprozesses und eine Anpassung der Prozessparameter anhand der vermessenen Eigenspannungen sind aus dem Stand der Technik nicht bekannt.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung zum kontaktlosen und schnellen Ermitteln von Eigenspannungen mittels Laserbelastung ermöglichen eine schnelle, minimal invasive Vermessung von Eigenspannungen mit hoher örtlicher Auflösung während eines laufenden Beschichtungsverfahrens. Die ermittelten Eigenspannungen werden gezielt zur lokalen Steuerung der Prozessparameter mit vergleichsweise hoher örtlicher Auflösung eingesetzt. So kann z.B. die Temperaturführung durch simultane Kühlung oder Heizung, beides mit örtlich definiert aufgelösten Verfahren gesteuert werden. Ferner kann die Trajektorienplanung und Durchführung dem Wärmeverlauf direkt angepasst werden. Vorzugsweise wird dabei eine Kompilierung bzw. eine Zusammenführung der Geometriedaten des Werkstücks aus CAD-Daten mit den Trajektorien beim Beschichtungsprozess durchgeführt.
Ein Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens liegt in der Echtzeit der Eigenspannungsermittlung während der fortlaufenden Beschichtung (Echtzeit/In-Prozess) durch berührungslose und zerstörungsfreie online Messung mit optischen Messverfahren. Das örtliche Auflösungsvermögen der optischen Messverfahren ist sehr hoch und frei wählbar. Die Topologie eines Flächeninkrements kann derart rasch bestimmt und ausgewertet werden, dass der Beschichtungsprozess unmittelbar variiert und nachgeführt werden kann. Dadurch kann ein verbessertes bzw. ein gezielt eingestelltes eigenspannungsabhängiges Beschichtungsergebnis erzielt werden. Der Beschichtungsprozess muss ferner nicht unterbrochen und nachjustiert werden. Es können direkte reale Bauteilgeometrien und Oberflächenmorphologien erzeugt werden.
Das Muster von Löchern und/oder lokal erwärmten Stellen kann punktweise sequentiell oder parallel erzeugt werden. Vorzugsweise wird das Muster nicht punktweise sequentiell (wie z.B. im mechanischen Fall) sondern parallel (simultan) erzeugt, z.B. mittels eines räumlichen Lichtmodulators. So kann simultan eine ganze Reihe, Matrix oder sogar auch mehrere Matrizen von Löchern und/oder lokal erwärmten Stellen, vorzugsweise mit adaptiver Verteilung und/oder definierter Lochgeometrie generiert werden.
Das durch Laserbestrahlung erzeugte Loch und die lokal erwärmte Stelle können verschiedene Geometrien (Form und/oder Tiefe) aufweisen, die lokal variabel sein können. So kann das Loch oder die lokal erwärmte Stelle kreisförmig, ellipsenförmig, strich-förmig oder eine andere komplexere Form haben. Vorzugsweise durchdringt das Loch und/oder die lokal erwärmte Stelle dabei nur die Oberfläche des untersuchten Objekts, z.B. nur ein Teil der Beschichtung eines beschichteten Objekts.
Die erzeugten Muster von Löchern oder lokal erwärmten Stellen können ebenfalls verschieden sein. So kann das Muster ein Kreis oder eine Mehrzahl von konzentrischen Kreisen, eine Spirale (z.B. archimedische), eine Rosette, eine Reihe oder eine Matrix, ein Schlitz oder Kreuz oder eine andere komplexere Form aufweisen. Die Verteilung der Löcher und/oder der lokal erwärmten Stellen innerhalb des Musters kann homogen oder inhomogen sein.
Die Muster können in Abhängigkeit von der Topographie der untersuchten Oberfläche und der erwarteten oder vermuteten Eigenspannungen und/oder deren Gradienten ausgewählt werden. Das Verfahren kann dementsprechend ein Anpassen bzw. Adaptieren der Geometrie der einzelnen Löcher und/oder lokal erwärmten Stellen und/oder der Form bzw. der Topographie des erzeugten Musters (z.B. der Verteilung der Löcher und/oder der lokal erwärmten Stellen) und/oder der Lage bzw. Anordnung des erzeugten Musters auf der Oberfläche des untersuchten Objekts an die Topographie der Oberfläche des untersuchten Objekts und/oder an die erwarteten Eigenspannungen und/oder deren Gradienten im untersuchten Objekt bzw. in der untersuchten Oberfläche umfassen. So können mittels der steuerbaren optischen Ablenk- und/oder Modulationsanordnung und/oder Fokussieranordnung unterschiedliche Muster mit unterschiedlichen Topographien und/oder Geometrien der Bohrlöcher oder lokal erwärmten Stellen auf die unterschiedlichen Objekte projiziert und angebracht bzw. eingeschrieben werden. Ebenfalls ist es möglich, das erzeugte Bohrloch oder Muster gezielt an einen vermuteten oder sehr wahrscheinlichen Ort hoher Eigenspannungen zu positionieren bzw. zu zentrieren. Dies ist in der Regel ein Ort großer lokaler Krümmung der Oberfläche. Durch den Verlauf des Herstellungsprozesses bzw. Beschichtungsprozesses können jedoch große Eigenspannungen an Orten auftreten, die nicht den Orten großer bzw. größter lokaler Krümmung der Oberfläche entsprechen. In diesem Fall kann das erzeugte Bohrloch oder Muster an solchen Orten erwarteter großer Eigenspannungen positioniert werden.
Beispielsweise kann das Muster eine Vielzahl von Linien (vorzugsweise zumindest drei Linien die z.B. in einem Gitter angeordnet sind) umfassen, die auf die Oberfläche des untersuchten Objekts eingeschrieben bzw. angebracht werden. Die Oberfläche kann eine Regelfläche sein oder eine Freiformfläche (auch in Kombinationen). Die Linien des Musters können zumindest näherungsweise senkrecht zur Richtung der größten lokalen Krümmung(en) der Oberfläche stehen.
Das Muster kann ferner Spiralen, z.B. archimedische Spiralen, oder konzentrische Kreise umfassen. Ein solches Muster ist insbesondere für die Ermittlung von Eigenspannungen in Objekten geeignet, deren Oberfläche durch eine Kugel approximiert werden kann. Vorzugsweise wird das Zentrum dieser Strukturen an einen vermuteten oder sehr wahrscheinlichen Ort hoher Eigenspannungen gesetzt. Das ist in der Regel ein Ort großer bzw. größter lokaler rümmung(en) der Oberfläche.
Ist die Oberfläche des untersuchten Objekts eine Oberfläche, bei der ein Oberflächenelement durch einen Zylinder approximiert werden kann, kann als Muster ein Gitter beaufschlagt werden, bei welchem die Gitterlinien bevorzugt im Wesentlichen parallel zur Zylinderachse angeordnet sind. Es ist hierbei von Vorteil, wenn die Ortsfrequenz des Gitters vergleichsweise hoch ist, vorzugsweise zumindest etwa 5 Linienpaare/mm, noch mehr bevorzugt zumindest etwa 10 Linienpaare/mm. Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn das Tastverhältnis (Lücke-Gittersteg- Längen) gegen 1 geht. Bevorzugt wird die doppelte Lückenbreite, aber nicht die 10fache Lückenbreite in Relation zur Stegbreite.
Die Verteilung der einzelnen Löcher und/oder erwärmten Stellen innerhalb des Musters kann homogen oder inhomogen sein. So kann z.B. die Gitterkonstante bei einem Muster von Strichen bzw. Linien variieren. Die Verteilung der Löcher und/oder erwärmten Stellen an die Kanten einer Oberfläche kann zum Beispiel eine andere sein, als in der Fläche, die der Kante folgt bzw. orthogonal ist.
Durch die adaptive Geometrie und/oder Verteilung der einzelnen Löcher und/oder erwärmten Stellen (d.h. durch das adaptive Muster) ist es möglich, eine Messung auch an merklich unebenen und stark gekrümmten beschichteten Objekten zuverlässig und effizient durchzuführen. Ferner ist es möglich, die Belastung des untersuchten Objekts in-line, z.B. während eines Beschichtungs- oder Herstellungsprozesses zu ändern.
Eine vielfach-Anmessung bei der Verwendung eines Musters kann ferner die Ergebnisse sowohl der in-plane-Oberflächenverformungssmessungen als auch der out-of-plane- Oberflächenverformungsgsmessungen verbessern, da ein Mittelungseffekt auftritt. Es ergibt sich folglich eine Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses durch Parallelisierung.
Das Muster kann vorzugsweise holografisch durch einen, vorzugsweise in Video-Echtzeit, ansteuerbaren, räumlichen Lichtmodulator erzeugt werden. Der steuerbare Lichtmodulator kann z.B. ein elektrooptischer Lichtmodulator (wie z.B. Flüssigkristall-Lichtmodulator), ein akustooptischer Modulator (AOM) oder ein Digitales-Mikrospiegelsystem (DMD Lichtmodular, DMD=Digital Micro Mirror Device) sein. Alternativ oder zusätzlich können opto-mechanische Vorrichtungen, wie z.B. eine rotierende Keilplatte, Spiegel, Prismen, etc. zur Ablenkung des Laserlichts eingesetzt werden. Die optische Ablenk- und/oder Modulationsanordnung kann dementsprechend ein steuerbarer Lichtmodulator (beispielsweise ein Flüssigkristal- Lichtmodulator, ein DMD-Lichtmoduiator oder akustooptischer Modulator) oder eine rotierende Keilplatte umfassen.
Die Fokussieranordnung kann eine Linse, ein Objektiv, ein Spiegel-Objektiv und/oder andere optische Elemente umfassen. Vorzugsweise weist die Fokussieranordnung eine rechnergesteuerte Fokussier-Funktion auf. Somit können die Tiefe und/oder die Form des erzeugten Lochs variiert werden und z.B. an die untersuchte Beschichtung und/oder Geometrie des Objekts angepasst werden.
Vorzugsweise erfolgt das Erzeugen des Lochs und/oder des Musters mit dem gleichen Laser, der zum Ermitteln der Oberflächenverformungen eingesetzt wird. Anders ausgedrückt dient ein Laser als Lichtquelle für das Laserbelastungssystem und für das optische Messsystem zum Ermitteln der Verformung der Oberfläche des Objekts. Die Vorrichtung zur Messung von Eigenspannungen kann somit einfacher, kompakter und kostengünstiger realisiert werden.
Das Verfahren kann ferner ein Erfassen mittels einer optischen 3D-Messanordnung von zwei- oder drei-dimensionalen Daten betreffend:
die Geometrie einzelner Löcher und/oder Musterelemente bzw. Strukturen; und/oder die räumliche Position einzelner Löcher und/oder Musterelemente bzw. Strukturen auf der Oberfläche des Objekts; und/oder
die Topographie des Musters; und/oder
die Positionierung des Musters auf der Oberfläche des Objekts; und/oder
die Form des Objekts und/oder der Oberfläche des Objekts umfassen.
Die so gewonnenen 3D-Daten können zur Versorgung mit Eingangs-Daten für das Erstellen des Eigenspannungsmodells genutzt werden. Die optische 3D-Messanordnung kann z.B. ein konfokales Mikroskop, ein optisches System, basierend auf Streifenprojektion, auf digitaler Holographie, beispielsweise Letzteres basierend auf der Zwei-Wellenlängen-Methode, sein. Die optische 3D-Messanordnung kann Bestandteil der Vorrichtung zur Messung von Eigenspannungen sein.
Einsatzgebiete und Applikationen der erfinderischen Lösung des optischen Verfahren und der Vorrichtung zum Ermitteln von Eigenspannungen, insbesondere an beschichteten Oberflächen umfassen:
— die Materialwissenschaften,
— die Produktions-Überwachung, z.B. in Beschichtungs-Anlagen,
— und sicherheitsrelevante Anwendungen, z.B. im Flugzeugbau.
Insbesondere eignen sich das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ermitteln von Eigenspannungen in der Beschichtung von beschichteten Objekten. Die Beschichtung kann dabei eine Dicke von insbesondere 10 Mikrometer bis zu 500 Mikrometer aufweisen. Die Beschichtung kann eine oder mehrere Schichten umfassen.
Weiteren Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden offensichtlich aus einer detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die folgenden Zeichnungen, welche zeigen:
Fig. 1 eine beispielhafte Vorrichtung zur Messung von Eigenspannungen in beschichteten
Objekten;
Fig. 2 beispielhafte Belastungsanordnungen;
Fig. 3 eine weitere beispielhafte Vorrichtung zur Messung von Eigenspannungen in beschichteten Objekten;
Fig. 4 beispielhafte Muster auf einer beschichteten zylindrischen Fläche;
Fig. 5 beispielhafte Muster auf einer beschichteten sphärischen Fläche;
Fig. 6 beispielhafte Muster auf einer beschichteten Freiformfläche.
Unter den Begriffen Messstrahlung, Belastungsstrahlung und Licht wird im Rahmen der vorliegenden Anmeldung elektromagnetische Strahlung vom tiefen UV- über den VIS-, NIR-, MIR-, FIR- bis zum Terahertz-Bereich verstanden.
Figur 1 zeigt eine beispielhafte Vorrichtung zur Messung von Eigenspannungen in beschichteten Objekten. Die Vorrichtung umfasst eine Anordnung zur Belastung eines beschichteten Objekts 5 (Detail A) und ein optisches Messsystem zur Messung von SD- Verformungen bzw. 3D-Oberflächeverformungen, die durch die Belastung des beschichteten Objekts 5 erzeugt werden (Detail B). Das Objekt kann ein beliebiges beschichtetes Objekt sein, einschließlich ein stark gekrümmtes Objekt. Nicht einschränkende Beispiele sind Beschickungen für den Korrosionsschutz, Schutzschichten für die elektrische Isolation und/oder den thermischen Schutz. Die Beschichtung kann eine Dicke im Bereich von 10 Mikrometer bis 500 Mikrometer aufweisen. Die Anzahl und die Anordnung der Schichten in der Beschichtung können variieren.
Für die Belastung des beschichteten Objekts 5 können unterschiedliche Belastungsanordnungen (Laserbelastungssysteme) eingesetzt werden. Drei beispielhafte Belastungsanordnungen sind in den Figuren 2a, 2b und 2c dargestellt. Figur 2.a zeigt eine beispielhafte Belastungsanordnung, welche einen einfachen Aufbau aufweist. Die Belastungsanordnung umfasst einen Pulslaser 1. 1 , welcher eine Folge von kurzen Laserpulsen 1.2 emittiert. Das kann sowohl im Pico- als auch im Mikro-Sekunden-Bereich erfolgen, hier im Ausführungsbeispiel mit Pulslängen im 10-Nanosekunden-Bereich. Die vom Pulslaser 1. 1 emittierte Belastungsstrahlung wird durch eine Linse 1 .3 auf das Objekt 5 mit einer Beschichtung 6 fokussiert. Der Farbfilter 3, dargestellt in Figur 1 , Detail A, lässt das Licht für die Belastung transmittieren. Die Leistung der Laserpulse 1.2 des Pulslasers 1.1 kann je nach untersuchten Objekt und/oder Beschichtung geeignet ausgewählt werden. Die Intensitätsdichte auf der Oberfläche 8 des Objekts 5 kann z.B. mindestens 108 W/cm2 betragen, so dass dabei Material aus der Oberfläche 8 des Objekts 5 entfernt wird und ein Loch 7 mit kreisförmiger Form 7. 1 entsteht.
Figur 2.b zeigt eine beispielhafte Belastungsanordnung mit einer rotierenden Keilplatte 1.4. Die Keilplatte 1.4 ändert die Laserstrahlrichtung durch deren Rotation. Bei rotierender Keilplatte 1.4 gelangt eine Folge von Laserpulsen 1.2 auf diese Keilplatte 1.4. Dabei wird jeder Puls durch die Linse 1.3 auf eine andere Stelle der Oberfläche 8 des Objekts 5 fokussiert. Das erlaubt dort die Entfernung von Material längs einer feinen kreisringförmigen Linie 7.2.
Figur 2.c zeigt eine beispielhafte Belastungsanordnung, bei welcher der Lichtstrahl zuerst durch einen Spiegel 1 .5 in Richtung eines räumlichen Lichtmodulators 1.6 reflektiert wird. In den räumlichen Lichtmodulator 1.6 werden 2D-Muster in Form von Hologrammen, also Lichtbeugende Gitter, eingeschrieben. Diese Hologramme können in weiten Grenzen gewählt werden, so dass der einfallende Lichtstrahl durch die Beugung ein gewünschtes Muster 7.3. mit einer nahezu beliebig programmierbaren Form, z.B. in Form eines Ringes, in Form eines„X", in Form eines Kreuzes oder auch in Doppelkreuz-Form ("#") und mit einer dabei in weiten Grenzen wählbaren Tiefe auf der Oberfläche 8 des Objekts 5 erzeugt. Bei hinreichend genügend hoher Laser-Leistung pro Objektoberflächenbereich kann auf der Oberfläche 8 des Objekts 5 auch Material an verschiedenen Stellen gleichzeitig abgetragen werden. Einerseits erlaubt die Linse 1.3 in Fig. 2.c die Fokussierung des gebeugten Laserstrahlenbündels auf die Oberfläche 8 des Objekts 5. Andererseits kann die Fokussierung jedoch auch durch den räumlichen Lichtmodulator 1.6 selbst erzeugt werden. In diesem Fall ist die Linse 1.3 nicht notwendig. Die Entfernung von Material von der Oberfläche 8 des Objekts 5 erzeugt eine 3D-Verformung der Oberfläche 8 in der unmittelbaren Umgebung des Loches 7.
Figur 1 stellt im Detail B ein beispielhaftes optisches Messsystem 2 zur Messung der Oberflächenverformung dar, das auf digitaler Holographie basiert. Ein Laser 2. 1 emittiert ein Laserstrahlenbündel, welches durch den ersten Strahlteiler 2.2 in zwei Teilstrahlenbündel aufgeteilt wird. Ein Teilstrahlenbündel wird durch die Linse 2.3 in eine optische Monomode- Faser 2.4 eingekoppelt. Das Licht wird durch die Monomode-Faser 2.4 geführt und der Ausgang der Monomode-Faser 2.4 mündet in ein kleines Loch 2.5, sodass das Licht, welches hier das Referenzstrahlenbündel 2.6 für die holografische Messanordnung darstellt, auf einen CCD- oder einen CMOS Detektor 2.7 gelangt.
Das andere Teilstrahlenbündel vom ersten Strahlteiler 2.2 wird wieder in mindestens 3 Teil- Lichtstrahlenbündel durch den zweiten Strahlteiler 2.8 geteilt. In Figur 1 sind vier Teil- Lichtstrahlenbündel 4. 1 , 4.2, 4.3 und 4.4 dargestellt. Diese Teil-Lichtstrahlenbündel 4. 1 , 4.2, 4.3 und 4.4 beleuchten die Oberfläche 8 des Objekts 5 aus mindestens drei unabhängigen Richtungen. Diese Beleuchtung kann gleichzeitig mit allen Teil-Lichtstrahlenbündel 4. 1 , 4.2, 4.3 und 4.4 erfolgen oder auch nacheinander. Das von der Oberfläche 8 des Objekts 5 gestreute Licht wird vom Farbfilter 3 in Richtung des Messsystems 1 reflektiert. Die Linse 2.9 bildet die Oberfläche 8 des Objekts 5 auf den Detektor 2.7 ab. Die Aperturblende 2.10 bestimmt die laterale Auflösung des Abbildungssystems. Das von der Oberfläche 8 des Objekts 5 gestreute Licht interferiert mit dem Referenzstrahlenbündel 2.6. Das Interferenzmuster wird vom Detektor (2.7) aufgezeichnet und stellt danach ein digitales Hologramm dar. Es werden vor der Belastung des Objekts 5 mehrere Hologramme bei verschiedenen Beleuchtungen aus mindestens drei unabhängigen Richtungen registriert. Nach der Belastung werden weitere Hologramme bei unterschiedlichen Beleuchtungen registriert. Nach Auswertung der Hologramme wird die 3D-Verformung zwischen dem unbelasteten und dem belasteten Zustand ermittelt. Dieser Prozess kann wiederholt werden, so dass verschiedene Belastungszustände erzeugt werden und so die 3D Verformung als Funktion der Belastung ermittelt wird.
Die Geometrie (Tiefe, Form) des durch die Laserbelastung entstehenden Lochs und/oder die Topographie des entstehenden Musters wird durch eine Messanordnung für die 3D-Form 9 gemessen. Diese Messanordnung 9 kann z.B. ein konfokales Mikroskop oder ein System, basierend auf Streifenprojektion oder auf digitaler Holographie, Letzteres beispielsweise basierend auf der Zwei-Wellenlängen-Methode, sein.
Die 3 D-Verformung in Verbindung mit der Messung der Geometrie (Tiefe, Form) der Löcher und/oder der Topographie oder Tiefenprofilierung des Musters, welche durch die Laserbelastung entstehen, und Materialparameter des Objektes 5 und der Beschichtung 6 werden ausgewertet und die in der Beschichtung vorhandenen Eigenspannungen wird ermittelt, z.B. mit Hilfe einer Finite-Elemente-Methode. Weitere Verfahren zum Ermitteln der Eigenspannungen sind aus dem Stand der Technik bekannt.
Figur 3 zeigt eine beispielhafte Vorrichtung zur Messung von Eigenspannungen in beschichteten Objekten, bei welcher ein Pulslaser mit 2 Wellenlängen ( 10), λι und λ2 sowohl zur Belastung des Objekts als auch zur optischen Messung verwendet wird. Der Farbteiler 2 reflektiert den Strahl mit der Wellenlänge λ2 und transmittiert den Strahl mit der Wellenlängen λι. Der Strahl mit der Wellenlänge λι wird für das Laserbelastungssystem 13 verwendet. Der Strahl mit der Wellenlänge λ2 wird für das optische Messsystem 14 verwendet.
Figur 4 zeigt eine beschichtete zylindrische Fläche 15, auf welcher Strichmuster (radial 1 6, axial 17), Kreuz-Muster 18 oder/und ellipsen-förmige oder ringförmige Muster 19 für die lokale Entfernung von Material eingeschrieben werden. Figur 5 zeigt eine beschichtete sphärische Fläche 20 auf der Spiralen 2 1 , Doppel- oder multi-Spiralen 22 für die lokale Entfernung von Material eingeschrieben werden. Figur 6 zeigt eine beschichtete Freiformfläche 30 auf der angepasste Strichmustern für die lokale Entfernung von Material eingeschrieben werden.
Die beispielhaften Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln von Eigenspannungen können, wie oben beschrieben, z.B. in einen Beschichtungsprozess integriert werden. Anhand der ermittelten Eigenspannungen können in-line (d.h. während des Beschichtungsprozesses) die Parameter des Beschichtungsprozesses (wie z.B. Kühlen oder Erwärmen des Substrats, Auftragsrate und Temperatur der Beschichtung, Schichtdicke, Kinematik, etc.) gesteuert werden. So ist es möglich, Beschichtungen mit hoher Qualität und geringen Eigenspannungen schnell und effizient zu erzeugen.
Bezugszeichenliste
Bezugszeichen Bezeichnung
1 Laserbelastungssystem (Belastungsanordnung)
1. 1 Pulslaser
1 .2 Laserpulse
1.3 Linse
1.4 rotierende Keilplatte
1.5 Spiegel
1.6 räumlicher Lichtmodulator (SLM) ptisches Messsystem zum Ermitteln der Oberflächenverformungen (z.B. auf
2
Basis der digitalen Holographie)
2. 1 Laser
2.2 erster Strahlteiler .
2.3 Linse für Lichteinkopplung in eine Faser
2.4 optische Monomode-Faser
2.5 kleines Loch für Faser
2.6 Referenzstrahlenbündel
2.7 Detektor (CCD oder CMOS)
2.8 zweiter Strahlteiler
2.9 Abbildungslinse
2. 10 Aperturblende
Farbteiler .1 bis 4.4 Teil-Lichtstrahlenbündel für die Objektbeleuchtung zur Verformungsmessung beschichtetes Objekt
Beschichtung lasergebohrtes Loch auf dem beschichteten Objekt lasergebohrtes kreisförmige Loch auf dem beschichteten Objekt lasergebohrter Ring auf dem beschichteten Objekt lasergebohrte Muster auf dem beschichteten Objekt
Oberfläche des Objekts 5 bzw. 3D-Verformung der Oberfläche des Objekts 5
Optische 3D-Messanordnung zur 3D Messung bzw. Erfassung der Oberfläche des Objekts
Pulslaser mit zwei Wellenlängen, λι und λ2
Farbteiler
Spiegel
Optik für Laserbelastungssystem (ohne Laser) (als Teil der Abtastvorrichtung)
Messsystem für digitale Holographie (ohne Laser) zylindrische Oberfläche
Strich-Muster (radial)
Strich-Muster (axial)
Kreuz-Muster
Ringförmiges-Muster
Multi-Strich-Muster (radial)
Multi-Strich-Muster (axial)
Multi-Kreuz-Muster
Vielfach-Ellipsen-Muster, bzw. Vielfach-Ring-Muster,
Sphärische Oberfläche
Spirale auf sphärischer Oberfläche
Doppel-Spirale auf sphärischer Oberfläche
Freiform-Oberfläche
Angepasste Muster (adaptierte)

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zürn Ermitteln von Eigenspannungen eines Objekts (5), vorzugsweise eines beschichteten Objekts (5), umfassend
Beaufschlagen einer Oberfläche (8) des Objekts (5) mit Laserlicht und Erzeugen eines Lochs (7; 7. 1 ) oder eines Musters (7.2; 7.3; 16-2 1 ; 31 ) von Löchern und/oder lokal erwärmten Stellen im Objekt (5);
Ermitteln der Oberflächenverformungen nach dem Beaufschlagen des Objekts (5) mit dem Laserlicht mittels eines optischen Verformungs-Messverfahrens;
Ermitteln der im Objekt (5) vorliegenden Eigenspannungen aus den gemessenen Oberflächenverformungen,
wobei das Erzeugen des Lochs (7; 7.1 ) oder Musters (7.2; 7.3; 16-21 ; 31 ) mittels einer optischen Abtastvorrichtung erfolgt, welche
eine optische Ablenk- und/oder Modulationsanordnung zur steuerbaren Ablenkung und/oder Modulation des Laserlichts; und/oder
eine Fokussieranordnung zur steuerbaren Fokussierung des Laserlichts umfasst.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei das Muster (7.2; 7.3; 16-2 1 ; 31 ) von Löchern und/oder lokal erwärmten Stellen punktweise sequentiell oder parallel erzeugt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, umfassend ferner Anpassen der Geometrie der einzelnen Löcher (7; 7.1 ) und/oder lokal erwärmten Stellen und/oder der Form des erzeugten Musters (7.2; 7.3; 1 6-2 1 ; 31 ) und/oder der Lage des erzeugten Musters (7.2; 7.3; 1 6-2 1 ; 31 ) an die Topographie der Oberfläche des Objekts (5) und/oder an die erwarteten Eigenspannungen und/oder deren Gradienten in dem Objekt (5).
4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Muster eine Vielzahl von Linien ( 16. a; 17. a; 31) aufweist, welche zumindest näherungsweise senkrecht zur Richtung der größten lokalen Krümmung(en) der Oberfläche des Objekts (5) stehen;
zumindest eine Spirale (21 ; 21 a), einen Kreis oder eine Mehrzahl von konzentrischen Kreisen aufweist, wobei das Zentrum der Spirale (21 ; 21 a), des Kreises oder der konzentrischen Kreise am Ort der größten lokalen Krümmung(en) der Oberfläche des Objekts (5) positioniert ist.
5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Muster eine Linie ( 16; 17), ein Liniengitter ( 1 6.a; 17.a; 31 ), eine Matrix, eine Rosette, einen Schlitz oder ein Kreuz ( 18.a) aufweist.
6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei
das Muster (7.2; 7.3; 16-2 1 ; 31 ) durch einen, vorzugsweise in Video-Echtzeit, ansteuerbaren, räumlichen Lichtmodulator ( 1.6) erzeugt wird; und/oder
das Erzeugen des Musters (7.2; 7.3; 16-2 1 ; 31) mit dem gleichen Laser ( 10) erfolgt, der zum Ermitteln der Oberflächenverformungen eingesetzt wird.
7. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche umfassend ferner
Erfassen mittels einer optischen Messanordnung von zwei- oder drei-dimensionalen Daten betreffend
die Geometrie einzelner Löcher und/oder Musterelemente; und/oder die räumliche Position einzelner Löcher und/oder Musterelemente auf der
Oberfläche des Objekts (5); und/oder
die Topographie des Musters (7.2; 7.3; 16-21 ; 31 ); und/oder
die Positionierung des Musters (7.2; 7.3; 16-21 ; 31) auf der Oberfläche des
Objekts; und/oder
die Form des Objekts und/oder der Oberfläche des Objekts.
8. Vorrichtung zum Ermitteln von Eigenspannungen eines Objekts, vorzugsweise eines beschichteten Objekts (5), umfassend
ein Laserbelastungssystem ( 1 ; 13) mit zumindest einem Laser ( 1. 1 ; 10) und einer optischen Abtastvorrichtung zum Beaufschlagen einer Oberfläche (8) des Objekts (5) mit dem Laserlicht und Erzeugen im Objekt (5) eines Lochs (7; 7. 1 ) oder eines Musters (7.2; 7.3; 1 6-2 1 ; 31 ) von Löchern und/oder lokal erwärmten Stellen;
ein optisches Messsystem (2; 14) zum Ermitteln der Verformung der Oberfläche (8) des Objekts (5) mit dem erzeugten Muster (7.2; 7.3; 16-21 ; 31 ),
wobei die optische Abtastvorrichtung
eine optische Ablenk- und/oder Modulationsanordnung zur steuerbaren Ablenkung und/oder Modulation des Laserlichts (z.B. durch Reflexion, Refraktion und/oder Lichtbeugung); und/oder
eine Fokussieranordnung zur steuerbaren Fokussierung des Laserlichts umfasst.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die optische Abtastvorrichtung ausgelegt und eingerichtet ist, ein Muster (7.2; 7.3; 16-21 ; 3 1 ) sequentiell oder parallel zu erzeugen.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, wobei die optische Abtastvorrichtung ausgelegt und eingerichtet ist, die Geometrie der einzelnen Löcher und/oder lokal erwärmten Stellen und/oder die Form des erzeugten Musters (7.2; 7.3; 16-21 ; 31 ) und/oder die Lage des erzeugten Musters (7.2; 7.3; 1 6-2 1 ; 3 1 ) zu variieren und an die Topographie der Oberfläche des Objekts (5) und/oder an die erwarteten Eigenspannungen und/oder deren Gradienten im Objekt (5) anzupassen.
1 1. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die optische Abtastvorrichtung ausgelegt und eingerichtet ist,
ein Muster mit einer Vielzahl von Linien ( 16. a; 17. a; 3 1 ) zu erzeugen, wobei die Linien zumindest näherungsweise senkrecht zur Richtung der größten lokalen Krümmung(en) der Oberfläche des Objekts (5) stehen; und/oder
ein Muster zu erzeugen, welches zumindest eine Spirale (21 ; 2 1 a), einen Kreis oder eine Mehrzahl von konzentrischen Kreise aufweist, wobei das Zentrum der Spirale (21 ; 21 a), des Kreises oder der konzentrischen Kreise am Ort der größten lokalen Krümmungen des Objekts (5) positioniert ist; und/oder
ein Muster zu erzeugen, welches eine Linie ( 16; 17), ein Liniengitter ( 16. a; 17. a; 3 1), eine Rosette, eine Matrix, einen Schlitz oder ein Kreuz ( 18.a) aufweist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 1 1 umfassend ferner eine optische 3D- Messanorndung (9) zum Erfassen von drei-dimensionalen Daten betreffend die Geometrie einzelner Löcher (7; 7. 1 ) oder Musterelemente; und/oder die räumliche Position einzelner Löcher (7; 7. 1 ) und/oder Musterelemente; und/oder die Topographie des Musters (7.2; 7.3; 16-21 ; 31 ); und/oder
die Positionierung des Musters (7.2; 7.3; 16-2 1 ; 31 ) auf der Oberfläche des Objekts (5); und/oder
die Form des Objekts und/oder der Oberfläche des Objekts (5).
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei die optische Ablenk- und/oder Modulationsanordnung
ein steuerbarer Lichtmodulator, beispielsweise ein Flüssigkristal-Lichtmodulator, ein DM D-Lichtmodulator oder akustooptischer Modulator; oder
eine rotierende Keilplatte
umfasst.
14. Verfahren zum Beschichten eines Objekts (5) umfassend:
Aufbringen einer Teilschicht auf zumindest einen Teil der Oberfläche des Objekts (5);
Ermitteln der Eigenspannungen im teilbeschichteten Objekt (5) nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7; und
Steuern zumindest eines der Parameter des Beschichtungsverfahren anhand der ermittelten Eigenspannungen, wobei die Parameter des Beschichtungsverfahrens:
die Temperatur des Substrates;
die Auftragsrate und/oder Temperatur des Beschichtungsmaterials;
die Bewegungsgeschwindigkeit des Beschichtungsarms;
die Schichtdicke;
die Partikelverteilung; und
- die Partikelgröße
umfassen.
15. Vorrichtung zum Beschichten eines Objekts (5) umfassend
eine Beschichtungsanordnung zum Aufbringen einer Teilschicht auf zumindest einen Teil der Oberfläche des Objekts (5);
eine Vorrichtung zum Ermitteln von Eigenspannungen in einem Objekt (5) nach einem der Ansprüche 8 bis 13; und
eine Steueranordnung zum Steuern zumindest eines der Parameter des Beschichtungsverfahren anhand von gemessenen Eigenspannungen, wobei die Parameter des Beschichtungsverfahrens:
- die Temperatur des Substrates;
- die Auftragsrate und/oder Temperatur des Beschichtungsmaterials;
die Bewegungsgeschwindigkeit des Beschichtungsarms;
die Schichtdicke;
die Partikelverteilung; und
die Partikelgröße
umfassen.
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